大学物理实验：长度测量

大学物理实验：长度测

量

-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

长度测量

长度是一个基本物理量，许多其他的物理量也常常化为长度量进行测量；如用温度计测量温度就是确定水银柱面在温度标尺上的位置；测量电流或电压就是确定指针在电流表或电压表标尺上的位置等。因此，长度测量是一切测量的基础。物理实验中常用的测量长度的仪器有：米尺、游标卡尺、螺旋测微器（千分尺）、读数显微镜等。通常用量程和分度值表征这些仪器的规格。量程表示仪器的测量围；分度值表示仪器所能准确读到的最小数值。分度值的大小反映了仪器的精密程度。一般来说，分度值越小，仪器越精密。

【实验目的】

1. 掌握游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜的测量原理和使用方法；

2. 学习正确读取和记录测量数据；

3. 掌握数据处理中有效数字的运算法则及表示测量结果的方法；

4.熟悉直接和间接测量中的不确定度的计算.

【实验仪器】

不锈钢直尺，游标卡尺，螺旋测微器，读数显微镜，铁环、细金属丝、钢珠

【实验原理】

一、游标卡尺

用普通的米尺或直尺测量长度，只能准确地读到毫米位。毫米以下的1位要凭视力估计，实验中要使读数准确到0.1mm或更小时，一般采用游标卡尺和螺旋测微计。

1．游标卡尺的结构

游标卡尺又叫游标尺或卡尺，它是为了使米尺测量的更准确一些，在米尺上附加了一段能够滑动的有刻度的小尺，叫做游标。利用它可将米尺估读的那

游标上分度格数主尺上最小分度值==-=y m x y x 1δ位数值准确地读出来。因此，它是一种常用的比米尺精密的测长仪器。利用游标卡尺可以用来测量物体的长度、孔深及外直径等。

游标卡尺的外形如

图4-1-1所示。它主

要由两部分构成：与

量爪AA ’相连的主尺

D ；与量爪BB ’及深度

尺C 相连的游标E 。游

标E 可紧贴着主尺D 滑动。量爪A 、B 用来测量厚度和外径，量爪A ’、B ’用来测量径，深度尺C 用来测量槽的深度，他们的读数值都是由游标的0线于主尺的0线之间的距离表示出来。

2．游标卡尺的测量原理

游标卡尺在构造上的主要特点是：游标刻度尺上m 个分格的总长度和主刻度尺上的(m －1)个分格的总长度相等。设主刻度尺上每个等分格的长度为y ，游标刻度尺上每个等分格的长度为x ，则有

mx ＝（m －1）y (4-1-1) 主刻度尺与游标刻度尺每个分格的差值是

式中，x δ为游标卡尺所能准确读到的最小数值，即分度值（或称游标精度）。若把游标等分为10个分格（即m=10），这种游标卡尺叫做“十分游标”。“十分游标”的x δ=1/10mm 。这是由主刻度尺的刻度值于游标刻度值之差给出的，因此x δ不是估读的，它是游标卡尺所能准确读到的最小数值，即游标卡尺的分度值。若m=20，则游标卡尺的最小分度为1/20mm=0.05mm ，称为20分度游标卡尺；还有常用的50分度的游标卡尺，其分度值为1/50mm=0.02mm 。

3．游标卡尺的读数

游标卡尺的读数表示的是主刻度尺的0线与游标刻度尺的0线之间的距离。读数可分为两部分：首先。从主刻度尺上与游标刻度上0线对齐的位置读

图4-1-1 游标卡尺

（4-1-

出整数部分L

1

(整毫米位)；然后，根据游标刻度尺上与主刻度尺对齐的刻度线

读出不足毫米分格的小数部分L

2，则两者相加就是测量值，即L= L

1

+ L

2

。下面

介绍实验室常用的10分度的游标卡尺的读数方法。

0 10 3 4 cm 图4-1-2 0 1 2 3 4 5 0 10

20 30 40 50 cm

图4-1-3

L 1=30，第二步找到游标上的第7根刻线（不含0刻线）与主刻度尺上的某一刻

度线对齐，则位数为L 2=7⨯0.1mm=0.7mm ，所以图4-1-2所示的游标卡尺的读数为L= L 1+ L 2=30.7mm 。

同理，图4-1-3所示，五十分游标的读数方法是，第一步从主刻度尺上可

读出的准确数是3mm ，即L 1=3，第二步找到游标上的第22根刻线（不含0刻

线）与主刻度尺上的某一刻度线对齐，则该位数为L 2=22⨯0.02mm=0.44mm ，所以图4-1-3所示的游标卡尺的读数为L= L 1+ L 2=3.44mm 。

4．游标卡尺的使用与注意事项

游标卡尺使用前，应该先将游标卡尺的卡口合拢，检查游标尺的0线和主刻度尺的0线是否对齐。若对不齐说明卡口有零误差，应记下零点读数，用以修正测量值；使用游标卡尺时，推动游标刻度尺的过程中，不要用力过猛，卡住被测物体时松紧应适当，更不能卡住物体后再移动物体，以防卡口受损；用完后两卡口要留有间隙，然后将游标卡尺放入包装盒，不能随便放在桌上，更不能放在潮湿的地方。

二、螺旋测微计（千分尺）

螺旋测微计是比游标卡尺更为精密的测量长度的仪器，其量程比游标卡尺小，为25mm ，分度值也比游标卡尺小，通常为0.01mm 。螺旋测微计常用来测量准确度要求较高的物体的长度。

1．螺旋测微计的结构及机械放大原理

实验室常用的螺旋测微计的结

构如图4-1-4所示，螺旋测微计的

尺架成弓形，一端装有测砧2，测

砧很硬，以保持基面不受磨损。测

微螺杆3（露出的部分无螺纹，螺

纹在固定套管）和微分筒6、棘轮

7（测力装置）相连。当微分筒相

对于固定套管转过一周时，测微螺杆前进或后退一个螺距，测微螺杆端面和测砧之间的距离也改变一个螺距长。

图4-1-4 螺旋测微器 1.尺架 2.测砧 3.测微螺杆 4.锁紧装置 5.固定